Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной? - Игорь Кароль

Обратите внимание, что наш рассказ об углекислом газе почти не содержит количественных оценок, характеризующих обсуждаемые процессы, и тем более – их взаимосвязь. Это, безусловно, не случайность, а отражение уровня современных знаний об углеродном цикле. Проблемы, возникающие при его изучении, те же, что и при исследовании климатической системы в целом. О них мы говорили выше, и повторяться нет особого смысла. Однако к тому, чтобы численно охарактеризовать изменения концентрации CO2 в воздухе, нет никаких препятствий.

На рис. 15 и 16 видно, как изменялась концентрация CO2 в различные эпохи истории Земли (на врезке – за последнее тысячелетие) и за последние 50 лет. Важно отметить, что за четыре последних ледниковых и межледниковых периода она не превосходила 300 ppm (англ. рarts per million, или «частей на миллион», т. е. молекул CO2 на миллион молекул воздуха), а именно: 270–290 ppm в межледниковые и 190–200 ppm в ледниковые периоды.

В настоящее время средняя по земному шару концентрация CO2 достигает 392 ppm, а в доиндустриальный период она находилась на уровне межледниковой (около 280 ppm) и была почти на треть ниже современной.

Концентрация эта, вследствие химической пассивности CO2, почти не зависит ни от географических координат точки на земном шаре, ни от высотного уровня. Поэтому в большинстве исследований она принимается одинаковой во всей атмосфере Земли.

Рис. 15. Изменения концентрации углекислого газа в палеоэпохи

Даже беглого взгляда на рис. 15 достаточно, чтобы отметить ускоренный рост концентрации CO2, за последние 50 лет: ежегодно в среднем на 1 ppm или приблизительно на 0,3 % в год в 1960–1980-х гг., а с конца 2000-х – до 2,2 ppm или 0,6 %. Считается, что небывалый рост связан с интенсификацией антропогенной деятельности, хотя существуют и другие версии. Согласно имеющимся версиям, подобное можно объяснить:

а) уменьшением содержания углекислого газа в поверхностных водах или уменьшением поглощения CO2 поверхностью океана (например, из-за увеличения температуры);

б) вызванным чем-то ускорением окисления отмершей растительности;

в) вызванным чем-то сокращением скорости фотосинтеза или усилением дыхания растений;

г) увеличением масштабов окисления углерода из-за сжигания человеком углеродсодержащего топлива.

Рис. 16. Изменения концентрации углекислого газа за последние 50 лет

Выше отмечалось, что доля антропогенного фактора в углеродном цикле исчисляется лишь немногими процентами, но, согласитесь, и ежегодное увеличение концентрации CO2 на 0,3–0,6 % по темпам вполне соизмеримо с размером антропогенного фактора (вышеупомянутыми 4 %). В пользу последней версии говорят следующие соображения. Во-первых, в биосфере Земли последний век не отмечен какими-либо глобальными изменениями, способными заметно повлиять на интенсивность процессов, упомянутых в версиях б и в. Во-вторых, наблюдаемого в течение ХХ века увеличения температуры воды в океане недостаточно для объяснения (в соответствии с физическими законами для жидкостей и газов) столь значительного роста атмосферной концентрации CO2. В-третьих, методы современного анализа позволяют оценить вклад сжигаемого топлива в общем изменении содержания углекислого газа в атмосфере с помощью соотношения изотопов12Си 14С, благодаря тому, что изотоп 14С практически не входит в состав ископаемого топлива.

Проведенная оценка показывает сопоставимость темпов роста потребления топлива и увеличения содержания CO2 в атмосфере.

Упомянем еще об одной проблеме, связанной с увеличением содержания CO2, – биологической. Растворение дополнительной массы углекислого газа в морской воде влечет за собой увеличение уровня ее кислотности, а это, в свою очередь, представляет большую опасность для существования многих живых организмов. Так, лабораторные исследования показали, что увеличение кислотности морской воды губительно сказывается на раковинах моллюсков, известковых скелетах коралловых полипов, которые буквально разъедаются угольной кислотой.

Итак, увеличение атмосферной концентрации CO2 в ХХ столетии – непреложный, доказанный измерениями факт. И где-то на 2/3 глобальное потепление обусловлено именно этим фактом.

Как ни печально, но приходится признать, что сколь-нибудь существенно воздействовать на природный углеродный цикл мы не в состоянии, а, значит, контролировать содержание CO2 в атмосфере нам не по силам.

По большому счету, что-либо сделать можно лишь с теми самыми 4 % из «зоны нашей ответственности», но и эта задача, ой, как непроста: нужно повсеместно отказаться или хотя бы значительно сократить промышленное использование ископаемого топлива в ближайшие десятилетия. Такая цель поставлена, но вряд ли может быть осуществлена, поскольку требует глобальной и затратной модернизации мировой экономики, а также энергичных согласованных действий. Это путь, который еще только предстоит пройти. А пока зададимся вопросом: нет ли других путей, если не альтернативных, то дополняющих данный? Для этого рассмотрим другие парниковые газы.

Многоликий метан: второй по значимости парниковый газ

Природный газ – это кислород экономики, перекрывающий кислород экологии.

Упоминание о метане (CH4) у большинства людей обычно ассоциируется со взрывами и человеческими жертвами на угольных шахтах. «Явление метана народу», т. е. атмосфере, происходит по многим каналам. В их череде «шумный» выход метана на поверхность по стволам угольных шахт – канал, пожалуй, самый эпатажный, но совершенно не типичный. Как вскоре убедится читатель, метан предпочитает просачиваться в атмосферу без лишнего шума, тихой сапой. Между тем данные измерений свидетельствуют о том, что с начала индустриальной эпохи (около 1750 г.) содержание в атмосфере метана увеличилось в 2,5 раза (для сравнения: концентрация CO2 за тот же период возросла примерно на 30 %).

Повышенного внимания к себе метан заслужил благодаря его сегодняшнему вкладу в усиление парникового эффекта, оцениваемому в 20 %. Конечно, это не 60 %, вносимые углекислым газом, но, согласитесь, тоже немало – «твердое» второе место.

Замахнуться на гегемонию CO2 в обозримом будущем ему едва ли по силам, но тем не менее…

Молекула СН4 (рис. 17) в десятки раз эффективнее поглощает инфракрасное излучение, чем молекула CO2. Главенствущая же роль последнего достигается лишь тем, что количество молекул углекислого газа в атмосфере примерно в 200 раз превышает число молекул метана. Но поскольку концентрация СН4 в индустриальную эпоху росла гораздо быстрее концентрации CO2, очевидно, что при сохранении существующей тенденции уже в недалеком будущем вклад метана в усиление парникового эффекта будет еще более весомым.

Чтобы сократить темпы глобального потепления, резонно попытаться замедлить рост концентрации этого газа (как, впрочем, и других парниковых газов) в атмосфере. В этой связи насущно необходимо познакомиться с ним поближе.

Рис. 17. Шаростержневая модель молекулы метана

Содержание всякого газа в атмосфере определяется соотношением мощности его источников и стоков (т. е. разрушения в атмосферных химических реакциях и – для некоторых газов – вымывания осадками), а срок пребывания в атмосфере (время жизни) – совокупной скоростью его химического разрушения и механического удаления из атмосферы.

Атмосферная химия метана очень проста и не составляет какой-либо загадки. Молекулы метана не обладают высокой реактивной способностью и взаимодействуют лишь с очень активными радикалами гидроксила ОН* и атомами хлора Cl, а также возбужденного кислорода О(1D). В тропосфере разрушение СН4 происходит главным образом в реакции с ОН* (на ~90 %), однако в верхней стратосфере (выше 35 км) с ней успешно конкурирует реакция метана с атомарным хлором. Доля реакции СН4 с О(1D) в фотохимическом стоке метана относительно невелика. Разрушение молекул СН4 солнечными лучами (фотолиз), происходящее в верхней стратосфере, столь незначительно, что в расчетах им часто пренебрегают. Кроме того, метан поглощается почвами в сухих субтропических лесах со скоростью большей, чем во влажных умеренных и тропических.

В результате молекула СН4, по разным оценкам, живет в атмосфере 8–12 лет.

Рис. 18. Характерное содержание метана, ppbv (parts per billion by volume, 10–9 молекул на молекулу воздуха). В стратосфере разрушение метана гидроксилом приводит к образованию другого важного парникового газа – водяного пара